吳紅

摘要： CCY型齒輪模壓淬火機(jī)床是寧夏機(jī)械研究院股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械院）針對(duì)外徑值500mm的各種齒輪及其它圓形、扁平形和圓柱形零件淬火而設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。電氣控制系統(tǒng)作為機(jī)床的核心部分之一，它的安全性、連續(xù)性運(yùn)行顯得非常重要；在充分了解機(jī)床的工作流程、工藝要求的基礎(chǔ)上，利用PLC可編程序控制器、變頻器、人機(jī)界面技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一套具有自動(dòng)化程度高、可靠性強(qiáng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)；經(jīng)過(guò)用戶多年使用，淬火產(chǎn)品其硬度和平整度均達(dá)到或超過(guò)技術(shù)指標(biāo)，完全滿足生產(chǎn)要求。CCY型齒輪模壓淬火機(jī)床的研制成功，為國(guó)內(nèi)外齒輪廠家對(duì)直徑在152mm～685mm之間、高度在254mm以內(nèi)的齒輪模壓淬火提供了設(shè)備上的保證。

Abstract： CCY-type gear die-quenching machine is a new product designed by Ningxia Machinery Research Institute Co.， Ltd. for various gears with outer diameter of 500mm and other circular， flat and cylindrical parts quenched. The safety and continuous operation of electrical control system， which is one of the core parts of the machine， is very important. On the basis of fully understanding the work flow and process requirements of the machine tool， the PLC， frequency converter and man-machine interface technology are used for the design and manufacturing of a set of highly automated and highly reliable automated control system. After years of use by users， the hardness and flatness of quenching products all met or exceeded the technical indicators and fully met the production requirements. The successful development of CCY-type quench press provides a guarantee on the equipment for the domestic and foreign gear manufacturers on the gear molding quenching with the diameter between 152～ 685mm and the height within 254mm.

關(guān)鍵詞： PLC可編程序控制器；變頻器；人機(jī)界面

Key words： Programmable Logic Controller（PLC）；frequency converter；human machine interface

中圖分類號(hào)：TG155.3+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）33-0105-02

0 引言

CCY型齒輪模壓淬火機(jī)床主要有主機(jī)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三部分組成。主機(jī)要求齒輪淬火壓機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、零部件配合嚴(yán)密，整個(gè)機(jī)床采用了新型技術(shù)，增加了脈動(dòng)循環(huán)、油流量控制裝置、滑動(dòng)下模和一個(gè)補(bǔ)償淬火操作期間扁平齒輪凹下或鼓起缺陷傾向性而調(diào)整下模板的表盤(pán)，保證了設(shè)備的可靠性、實(shí)用性和安全性；液壓系統(tǒng)由主油缸、內(nèi)、外環(huán)油缸及其它油路組成，由于該機(jī)床使用環(huán)境惡劣、現(xiàn)場(chǎng)溫度高，要求對(duì)不同類型齒輪零件可隨意設(shè)定淬火流量、脈動(dòng)時(shí)間，所以在設(shè)計(jì)和制作電氣控制系統(tǒng)時(shí)要縝密思考并采取有效措施以保證電氣運(yùn)行的可靠性，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用PLC可編控制器、變頻器、觸摸屏技術(shù)，設(shè)計(jì)制作出一套自動(dòng)化程度高、可靠性強(qiáng)、易操作的電氣控制系統(tǒng)是可行的，也是非常必要的。

1 工作原理

機(jī)工作順序：淬火壓機(jī)待料時(shí)，工作臺(tái)移出至待料位，提升油缸、油罩、內(nèi)外環(huán)脈動(dòng)油缸處于卸荷狀態(tài)，模具、中心油缸處在上限位。工作時(shí)，由人工用天車或由自動(dòng)上料裝置將加熱到要求溫度的紅熱工件放到淬火盤(pán)上，工作臺(tái)移進(jìn)至淬火位置，上壓模油缸下降到位，中心油缸將擴(kuò)張器撐開(kāi)對(duì)工件進(jìn)行定位，同時(shí)內(nèi)外環(huán)模具和工件齒面有效接觸；然后啟動(dòng)淬火油泵開(kāi)始對(duì)工件進(jìn)行冷卻淬火（整個(gè)淬火過(guò)程在油罩內(nèi)進(jìn)行）。在淬火過(guò)程中脈動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)作，保證工件在淬火過(guò)程中的合理收縮，并最終保證工件的淬火質(zhì)量和淬火后的尺寸精度。淬火完成后，提升油缸帶動(dòng)油罩、內(nèi)外環(huán)脈動(dòng)油缸及模具、中心油缸上升，工作臺(tái)移出，由人工或出料裝置將工件移至出料臺(tái)上，完成一個(gè)循環(huán)的淬火。

2 硬件構(gòu)成

CCY型齒輪模壓淬火機(jī)床電氣控制系統(tǒng)由PLC可編程序控制器、模擬量模塊、觸摸屏、液壓泵、冷卻泵、變頻器及液壓閥組等組成（見(jiàn)圖1），下面簡(jiǎn)單介紹一下它們的特點(diǎn)以及在系統(tǒng)中所起的作用。

2.1 PLC可編程序控制器

考慮到設(shè)備對(duì)輸入/輸出點(diǎn)的要求，本系統(tǒng)中PLC可編程序控制器選用歐姆龍公司生產(chǎn)的CPM2AH-60CDR-A型號(hào)的CPU，具有以下特點(diǎn)：①支持三種編程語(yǔ)言[1]；②可進(jìn)行分散控制和模擬量控制；③帶高速掃描和高速中斷的高速處理；④可以使用CPM1A的擴(kuò)展單元；⑤豐富的應(yīng)用指令使復(fù)雜控制簡(jiǎn)化。endprint

PLC可編程序控制器是本系統(tǒng)的核心元件，它能完成機(jī)床工藝要求的各種控制任務(wù)、淬火油流量大小控制、油池溫度控制，另外PLC還和觸摸屏通過(guò)RS485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床工作狀態(tài)、故障原因、流量大小及各種參數(shù)的設(shè)定等。

模擬量模塊選用歐姆龍公司的CPM1A-MAD01，該模塊具有以下特點(diǎn)：①能同時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，也能把數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量；②配備2路模擬量輸入通道/1路模擬量輸出通道，最大分辨率9位；③基于電壓、電流的多種模擬量輸入/輸出可供選擇；④模塊和PLC可編程序控制器可通過(guò)緩沖存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

CPM1A-MAD01模塊采集流量變送器及油池溫度變送器的模擬信號(hào)，將這2種信號(hào)送入緩沖存儲(chǔ)器中，PLC可隨時(shí)讀取，來(lái)控制流量和溫度大小，同時(shí)CPM1A-MAD01輸出模塊把PLC里的變頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量輸出信號(hào)，送到變頻器外部頻率給定端VF，來(lái)控制冷卻泵轉(zhuǎn)數(shù)，控制淬火流量。

2.2 人機(jī)界面

人機(jī)界面選用的是臺(tái)灣臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的DOP-B10S615觸摸屏[2]，該屏不但具有一般人機(jī)界面軟件提供的功能外，還提供了以下特點(diǎn)功能：①畫(huà)面編輯器支持使用Windows系統(tǒng)的字型來(lái)編輯畫(huà)面；②利用宏功能可以幫助PLC處理復(fù)雜的運(yùn)算功能，有效分擔(dān)PLC的工作量；③使用USB快速上下載程序；④可同時(shí)支持多臺(tái)不同廠牌的控制器等。人機(jī)界面將按鈕操作、參數(shù)設(shè)定、修改、工作狀態(tài)顯示、故障報(bào)警等都集中在一個(gè)操作屏上，這樣很大程度上減少了電氣硬件配置，同時(shí)也節(jié)約了PLC可編程序控制器的I/O點(diǎn)數(shù)。

2.3 變頻器

變頻器選用的是ABB公司生產(chǎn)的ACS510-01系列產(chǎn)品，變頻器在可編程序控制器的控制下選用ABB標(biāo)準(zhǔn)宏工作模式[3]，當(dāng)機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行淬火時(shí)，變頻器帶動(dòng)冷卻泵運(yùn)行，可根據(jù)觸摸屏中所設(shè)定的流量大小來(lái)控制冷卻泵的轉(zhuǎn)數(shù)，從而控制淬火流量的大小。

3 程序

本系統(tǒng)根據(jù)硬件配置要求，程序分2大類：①PLC可編程序控制器程序；②觸摸屏程序。

PLC程序編制采用模塊化結(jié)構(gòu)，這樣既方便調(diào)用也容易閱讀，下面分別介紹這2類程序的主要功能。

3.1 模塊化結(jié)構(gòu)程序的編寫(xiě)

3.1.1 淬火油流量與運(yùn)行時(shí)間

為滿足設(shè)備工藝要求，在觸摸屏中將淬火油流量和運(yùn)行時(shí)間設(shè)計(jì)成3段程序控制，機(jī)床運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)設(shè)定與修改參數(shù)，這樣可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，改變每一段的噴油流量大小與運(yùn)行時(shí)間，滿足用戶的技術(shù)要求。

3.1.2 內(nèi)、外環(huán)脈動(dòng)

該機(jī)床在機(jī)械設(shè)計(jì)上對(duì)工件淬火采用外環(huán)、內(nèi)環(huán)和內(nèi)孔可以分別施加壓力運(yùn)行，用9個(gè)活塞分別實(shí)現(xiàn)這樣的動(dòng)作，以便滿足對(duì)淬火工件的整形要求；為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在觸摸屏中設(shè)計(jì)了脈動(dòng)加壓與不加壓2種選擇方式，同時(shí)在脈動(dòng)加壓時(shí)，又可對(duì)內(nèi)環(huán)和外環(huán)進(jìn)行同步加壓動(dòng)作和異步加壓動(dòng)作2種選擇；這樣的設(shè)計(jì)符合不同工件不同工藝的淬火要求，得到了用戶認(rèn)可和好評(píng)。

3.1.3 防火功能

在設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，偶然會(huì)出現(xiàn)熱工件放入工作臺(tái)后，因設(shè)備機(jī)械故障造成設(shè)備停止運(yùn)行，使上油缸罩子上粘著的淬火油滴到紅工件上，工件遇空氣中氧氣而著火；為解決這個(gè)問(wèn)題，在PLC可編程序控制中增加了防火功能程序段，當(dāng)出現(xiàn)以上故障，設(shè)備超過(guò)2秒沒(méi)有按原有程序步驟運(yùn)行時(shí)，冷卻泵電機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，將明火澆滅，報(bào)警器發(fā)出響聲，同時(shí)在觸摸屏上顯示出報(bào)警信息。

3.2 人機(jī)界面程序功能

在人機(jī)界面程序中建立了7個(gè)界面窗口，這7個(gè)窗口功能如下：①界面窗口1：手動(dòng)狀態(tài)、自動(dòng)狀態(tài)、報(bào)警查詢、聯(lián)系電話進(jìn)入快捷鍵；②界面窗口2：公司單位名稱及聯(lián)系方式；③界面窗口3：參數(shù)設(shè)計(jì)界面，可對(duì)3段淬火流量和淬火時(shí)間、脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)方式、油池溫度進(jìn)行設(shè)定和修改；④界面窗口4：手動(dòng)運(yùn)行方式顯示各行程開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行步驟及位置狀態(tài)；⑤界面窗口5：自動(dòng)運(yùn)行方式顯示流量大小、運(yùn)行剩余時(shí)間、脈動(dòng)頻率、油池溫度、設(shè)備運(yùn)行步驟及相應(yīng)位置狀態(tài)；⑥界面窗口6：報(bào)警界面，實(shí)時(shí)顯示故障原因及排除方法；⑦界面窗口7：調(diào)試界面，在設(shè)備初期調(diào)試中，校對(duì)流量大小與變頻器頻率大小。

4 結(jié)語(yǔ)

CCY型齒輪模壓淬火機(jī)床經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，完全達(dá)到了用戶對(duì)齒輪表面硬度和平整度的要求，現(xiàn)已經(jīng)批量投產(chǎn)。CCY型齒輪模壓淬火機(jī)床電氣控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①自動(dòng)化程度高，大大降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；②可靠性高，保證了生產(chǎn)的聯(lián)系性；③故障自診斷功能，方便維修人員找到故障原因；④淬火流量、淬火時(shí)間、脈動(dòng)頻率、同步/異步脈動(dòng)選擇都集中在人機(jī)界面的一個(gè)顯示屏上，方便參數(shù)的設(shè)定與修改；現(xiàn)存在的缺點(diǎn)是工件與中心缸的對(duì)中調(diào)整較繁瑣，在以后設(shè)計(jì)制作過(guò)程中需要逐步完善。CCY型齒輪模壓淬火機(jī)床研制成功，不僅為公司淬火壓機(jī)系列增加了一臺(tái)新設(shè)備，而且也為齒輪淬火行業(yè)提供了一種全新的自動(dòng)化設(shè)備。

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